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Strom- und Wärmeleitfähigkeit entkoppelt
(c) B. Dutta et al., Phys. Rev. Lett. (2017)

Theorie nach neun Jahren bewiesen

Strom- und Wärmeleitfähigkeit entkoppelt

[28.09.2017]

Schon vor neun Jahren haben Physiker der Universität Duisburg-Essen (UDE) vorhergesagt, dass das Wiedemann-Franz-Gesetz in Einzelelektronen-Transistoren nicht gilt. Jetzt ist diese Theorie experimentell von Kollegen aus Helsinki (Finnland) und Grenoble (Frankreich) bestätigt worden. Die Wissenschaftler veröffentlichten ihre Ergebnisse im Fachmagazin „Physical Review Letters“.

Nach dem Wiedemann-Franz-Gesetz ist das Verhältnis aus Wärmeleitfähigkeit und elektrischer Leitfähigkeit eines Festkörpers bei einer gegebenen Temperatur unabhängig von dessen Materialeigenschaften. Grob gesagt ist ein guter Wärmeleiter in der Regel auch ein guter elektrischer Leiter. Doch das gilt nicht immer: Bereits 2008 veröffentlichte die Arbeitsgruppe von UDE-Prof. Jürgen König ihre theoretischen Berechnungen, wonach die beiden Eigenschaften in Einzelelektronen-Transistoren nicht so starr gekoppelt sind.

Nun folgte der empirische Beweis: In ihrem nur rund 6µm großen Versuchsaufbau konnten die Arbeitsgruppen von Prof. Hervé Courtois und Prof. Jukka Pekola ein zum Teil um den Faktor vier verändertes Verhältnis der beiden Parameter messen.

„Der Grund hierfür ist die Ladungsenergie, die das Elektron auf dem Weg zum Transistor überwinden muss“, erklärt Prof. König vom Sonderforschungsbereich 1242 („Nichtgleichgewichtsdynamik kondensierter Materie in der Zeitdomäne“). Diesen Sprung schaffen nur die hochenergetischen Elektronen, die bei gleicher elektrischer Ladung eine höhere Wärmeenergie transportieren.

Einzelelektronen-Transistoren dienen unter anderem als Thermometer, die im Millikelvin-Bereich messen, oder auch als hochsensible Elektrometer, die Bruchteile einer Elementarladung detektieren können.

 

Originalpublikation: B. Dutta, J. T. Peltonen, D. S. Antonenko, M. Meschke, M. A. Skvortsov, B. Kubala, J. König, C. B. Winkelmann, H. Courtois, and J. P. Pekola: „Thermal Conductance of a Single-Electron Transistor“, Phys. Rev. Lett. 119, 077701 (2017)
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.077701

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Jürgen König, 0203 379-3329, koenig@thp.uni-due.de

Redaktion: Birte Vierjahn, 0203 379-8176, birte.vierjahn@uni-due.de